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La Biodigestión Anaeróbica Un sendero a la autosuficiencia

energética

Tecnología aplicable a distintas escalas

Ravelli Ariel Marcelo Ing. Ambiental

Julio de 2009 Santa Fe - Argentina


-- [email protected] -- 2

La Biodigestión Anaeróbica - Un sendero a la autosuficiencia energética

- Ariel M. Ravelli - Ing. Ambiental - 3

TEMAS Introducción ..........................................................................................................................4

1. FUNCIONAMIENTO BASICO DE UN BIODIGESTOR .....................................5 2. FUENTE DE ENERGÍA ..........................................................................................8 3. BIODIGESTIÓN, ALTERNATIVAS PARA CADA ESCALA ............................10

3.1 Biodigestores domésticos ........................................................................10 3.2 Biodigestor experimentales ......................................................................11 3.3 Biodigestores para residuos domiciliarios (Comunas) ....................12 3.4 Digestores con cúpula de polietileno. ...................................................13 3.5 Digestores de alta velocidad o flujo inducido .....................................13 3.6 Instalaciones Industriales .........................................................................13

4. VENTAJAS DE LOS BIODIGESTORES............................................................14 5. DIFICULTADES TÉCNICAS ................................................................................15 6. CONCLUSIONES ..................................................................................................15



Introducción

“El desarrollo sustentable, es la administración y conservación de la base de recursos naturales y la orientación de los cambios tecnológicos e institucionales de tal forma que aseguren el logro y la satisfacción permanentes de las necesidades humanas para el presente y las futuras generaciones. Dicho desarrollo sustentable (en los sectores agropecuario, forestal y pesquero) conserva la tierra, el agua, los recursos genéticos de los reinos animal y vegetal, no degrada el medio ambiente, es tecnológicamente apropiado, económicamente viable y socialmente aceptable.”

FAO, 1992. La búsqueda de un desarrollo, en ciertas actividades, implica un aumento

en la presión ejercida hacia el medio ambiente. Acorde a los criterios de sustentabilidad, el uso de biodigestores anaeróbicos aporta a la sustentabilidad en dos sentidos, en primer lugar al igual que muchos otros tipos de tratamiento de efluentes, estabiliza los efluentes manteniendo la calidad ambiental y desde otro punto de vista, se puede considerar que los biodigestores son un proceso productivo donde la materia prima son los desperdicios orgánicos y el producto combustible y aditivo de nutrientes para cultivos.

La posibilidad de reutilizar un desecho y obtener cierto beneficio, aplicando tecnologías no convencionales, es un sendero que actualmente se está considerando con mayor severidad a la hora de realizar diversos tipos de proyectos e inversiones. Particularmente para la actividad agropecuaria, que dispone de materia prima en exceso, la biodigestión anaeróbica presenta una aplicabilidad con balances energéticos positivos si se aprovecha el biogás obtenido.

Un aspecto importante, es la versatilidad del proceso, por la cual se puede aplicar la biodigestión anaeróbica a distintas escalas y con distintos niveles de complejidad técnica, sin que ello afecte las propiedades como combustibles del biogás que se obtiene.

Hoy en día existen a nivel mundial cerca de 70 modelos de biodigestores, donde cada país, de acuerdo a sus necesidades, idiosincrasia, recursos disponibles, etc., diseñan diferentes modelos que cumplen con las necesidades específicas de cada caso.



1. FUNCIONAMIENTO BASICO DE UN BIODIGESTOR

¿Qué es un biodigestor? Un biodigestor es un sistema de cultivo en el que se regulan ciertas

condiciones ambientales (tº, pH, etc.) y físicas, para optimizar el desarrollo de microorganismos anaeróbicos. Si bien existen diferentes modelos de biodigestores, en su mayoría responden a un esquema básico compuesto de:

o Cámara de carga, por donde ingresa el desecho orgánico. o Digestor, es el depósito en el que se produce la fermentación. o Campana de almacenamiento, para acumular el biogás generado. o Sistema de evacuación a través del cual se libera el remanente del

material digerido.

¿Qué materiales se utilizan para alimentar un biodi gestor?

Un biodigestor puede ser alimentado con cualquier desecho orgánico siempre y cuando sea de carácter biodegradable. Un ejemplo lo constituye la fracción orgánica de los residuos domiciliarios, considerada como una fuente “interminable” de materia prima para digestores.

Las excretas de animales, también poseen cualidades para ser aprovechadas en la biodigestión. El purín es una mezcla compleja compuesta por una porción de alimento sin digerir, bacterias arrastradas del tracto digestivo, líquidos digestivos y agua. La porción fecal del estiércol contiene una gran cantidad de los ingredientes alimenticios en su forma original. Los compuestos orgánicos del purín y del estiércol, son especialmente útiles para alimentar un biodigestor.

Otro ejemplo son los efluentes de industrias, que requieren una caracterización fisicoquímica previa, para determinar las necesidades de macronutrientes (K, P, S), relaciones C/N, etc.

Cada tipo de materia orgánica tiene una determinada producción de biogás, en la Tabla 1 se presentan algunos valores de referencia de la cantidad de biogás que genera cada sustrato.



Tabla 1: Producción de biogás para distintos sustratos.

Sustrato Rendimiento (m3/t)

¿En qué consiste la fermentación anaeróbica? La fermentación anaeróbica que se produce en un biodigestor, consiste en la

degradación de materia orgánica, realizada por microorganismos en un ambiente con ausencia de oxigeno. Básicamente se puede decir que los microorganismos, al alimentarse, consumen la materia orgánica de un desecho logrando una estabilización y reducción del desecho.

El resultado de este proceso es la estabilización de un efluente orgánico y la producción de una fase gaseosa denominada biogás .

En definitiva, si se logra el desarrollo del consorcio bacteriano se obtiene como resultado una reducción de la carga orgánica del efluente, al mismo tiempo que se genera biogás y un remanente líquido rico en nutrientes.

¿Qué es el biogás? Imagen 1: Quemador adaptado para biog

El biogás es un compuesto gaseoso que se produce como resultado de la fermentación de la materia orgánica que realizan microorganismos anaeróbicos. Es una mezcla gases compuesta de metano (53 a 70%), dióxido de carbono (25 a 45%) y menores proporciones de otros gases como sulfuro de hidrógeno e hidrógeno y vapor de agua (ilustración 1).

Se trata de un gas combustible (si la proporción de metano (CH4) es superior al 60%) y con un poder calorífico promedio de 5400 [Kcal/m3]i. Ilusión 1:

El gas metano que contiene el biogás, es el mismo que circula por los gasoductos de todas las ciudades, pero con la diferencia de que no proviene de restos fósiles. Esto implica que no introduce carbono adicional al que actualmente pertenece al ciclo, ósea que no agrava el efecto invernadero.

i El poder calorífico del gas natural es de 9300 [Kcal/m3].



El biogás puede ser purificado con procesos simples que eliminan los residuos de SH2 y/o el vapor de agua, obteniéndose un combustible con mayor poder calorífico y sin propiedades corrosivas.

¿Cómo aprovechar el gas producido en el biodigestor ? El gas producido a partir de los desechos de animales, puede ser aprovechado

en una gran variedad de usos. Por lo general, a pequeñas escalas se utiliza para generar calor con su

combustión. En otros casos con mayores inversiones en infraestructura, se puede aprovechar para la producción de electricidad por medio de generadores.

Ilustración 2: Usos posibles del biogás

¿Qué ocurre con el efluente tratado en un biodigest or? El desecho descompuesto en un biodigestor, es de consistencia líquida y su

composición química varía dependiendo de la materia prima. Acorde a la composición del mismo, en la mayoría de los casos, puede ser aplicado como aditivo de nutrientes a cultivos.

El abono obtenido tiene características similares al humus y es de granulación más fina que el material original, lo que facilita su mezcla y penetración en el suelo.

También tiene la ventaja de no transmitir enfermedades, ya que durante el proceso de transformación se alcanzan temperaturas que eliminan los organismos patógenos. Imagen 2:

El proceso de fermentación no consume nutrientes del efluente, debido a que en él, la materia orgánica (CHONPSii) se degrada generando principalmente metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). De esta forma, el contenido de nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) se mantiene invariable y más aún, mayor parte de los nutrientes poseen mayor biodisponibilidad, gracias a la rupturas enzimáticas de sustancias orgánicas complejas.

ii Se entiende como materia orgánica a aquellas sustancias conformadas de una combinación de átomos de ciertos elementos básicos; Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. De ahí las siglas CHONPS representa materia orgánica.



Imagen 3: Grupo electrógeno a biogás

En la ilustración 3, se presenta un ejemplo de un balance de masa realizado durante un año de funcionamiento de un biodigestor experimental en donde se confirmó cómo la cantidad de nutrientes básicos se mantiene invariable.

Ilustración 3: Balance de elementos en un digestor anaeróbico

¿Cuáles son las ventajas del uso de biodigestores? Las principales ventajasiii se pueden resumir en los siguientes puntos:

• Homogeneiza la composición del desecho. • Elimina los malos olores y los compuestos orgánicos volátiles. • Reduce el contenido de materia orgánica, manteniendo los nutrientes. • Posee un balance energético positivo (producción de energía renovable). • Contribuye a disminuir la generación de gases de efecto invernadero, si el

metano producido substituye una fuente de energía no renovable.

2. FUENTE DE ENERGÍA Dependiendo de la composición del material con que se alimenta el biodigestor, las condiciones de funcionamiento y el tiempo de residencia, se puede optimizar la calidad y/o cantidad de biogás generado. Las necesidades de cada proyecto definirán las condiciones de trabajo y optimizaciones a adoptar (% degradación, calidad o cantidad de biogás) para lograr un eficaz uso de biodigestores. Trabajando a una escala adecuada, se puede hacer de una planta de tratamiento de efluentes, una planta de generación de energía, al mismo tiempo que se logra obtener un residuo estabilizado que cumpla los requerimientos de las normativas medioambientales vigentes. Existen diversos ejemplos de aprovechamiento del biogás generando energía eléctrica o energía térmica, así como, del empleo de co-generadores con la generación de ambas al mismo tiempo. Los distintos sistemas adoptados, coinciden en un esquema básico de generación de electricidad con un generador y pueden agregarse procesos conforme la factibilidad lo permita.

iii Flotats et ál., 2001



Ilustración 4: Esquema de un sistema de tratamiento con aprovechamiento del biogás

En la ilustración 4 se esquematiza un diagrama de un sistema de biodigestión, con la obtención de un efluente estabilizado que se usa como aditivo de nutrientes para suelos de uso agrícola y con sistema de co-generación que aprovecha el biogás generado. El sistema de co-generación, produce energía eléctrica y térmica a partir de la combustión del biogás obtenido.

Ejemplos de uso de co-generadores se presentan en distintas partes del mundo, actualmente no existe una industria nacional, pero si se cuenta con varios proveedores nacionales que trabajan con estos equipos (Pecon, Secco, etc.)

La Imagen 4 muestra una instalación de un sistema a gran escala de co-generadores con una capacidad para generar 7.000 kwh/d y una recuperación de 6 x 106 kilocalorías diarias de energía térmica.

En la Imagen 5 se muestra un sistema de co-generación capaz de generar 800 KW.

Si bien la relación costo de inversión-beneficios no parece conveniente, la vida útil de estos equipos junto a la oportunidad de

ganar bonos por la reducción de gases de efecto invernadero y los ahorros en energía así como, en caso de existir la posibilidad, la venta del remanente de energía a la red, hacen que el uso de estos equipos represente una mejora en la rentabilidad de actividades agrícolas.



3. BIODIGESTIÓN, ALTERNATIVAS PARA CADA ESCALA

La principal característica de la biodigestión es su versatilidad para ser aplicado a distintas escalas, sin que ello implique una infactibilidad económica o técnica, dado que existen muchas alternativas en cuanto a materiales (membrana, PRFV, cemento, Acero, hierro pintado con epoxi, etc.) y diseños para su construcción (Modelo Chino, Hindú, UASB, etc.).

3.1 Biodigestores domésticos Modelos sencillos de régimen continúo o discontinuo de pequeña

capacidad, con agitación manual y sistema de campana flotante para la acumulación del biogás generado. En éstos casos el biogás, se aprovecha generalmente para alimentar quemadores, calefones, etc.

El remanente digerido, rico en nutrientes, se utiliza como aditivo de nutrientes en plantaciones o simplemente es desechado al sistema de desagüe.

Por lo general en estos casos el objetivo es la generación de biogás y no la estabilización de los desechos, tanto así, que en la mayoría de los casos se adiciona como complemento, cereales con altos contenidos de sólidos volátiles (sorgo, maíz, etc.) para lograr suplir los requerimientos de biogás. Imagen 6: Vecinal Juana Azurduy

Biodigestor demostrativo, ubicado en la vecinal Juana Azurduy (Santa Fe) con una capacidad de carga para 20 Kg/dia de residuos orgánicos domésticos y una generación potencial de biogás de 2 m3/dia. Como accesorio se observan: agitador, trampa de llamas y un tanque de almacenamiento de 1.5 m3. Con la misma se abastece una cocina que se usa para preparar alimentos para niños con carencias económicas.

Imagen 7: Fundación Proteger Biodigestor demostrativo de la

Fundación Proteger (Santa Fe) elaborado en concreto con agitador manual y campana colectora de acero inoxidable, con un sistema de almacenamiento de campana flotante que provee de presión constante a la red interna de gas. Desde el año 2004 la Fundación cubre su demanda de gas con el biogás generado de este digestor. Para cubrir los requerimientos de biogás se puede recurrir al uso, como complemento, de semillas ricas en sólidos volátiles (SV), como el sorgo que genera 5 veces más biogas que muchos otros residuos orgánicos.



Estos modelos responden al típico diseño del modelo Hindú, que cuenta con los elementos básicos que figuran en la ilustración 5 .

Ilustración 5: Modelo Hindú

3.2 Biodigestor experimentales: Son sistemas construidos con equipamientos de última tecnología,

utilizados para estudios y ensayos que permiten avanzar en el desarrollo en términos de productividad, eficiencia u otros aspectos.

La diferencia con los demás es que estos reactores pueden operarse a niveles de máxima producción gracias a los controles ambientales (Sistema termostatizado, ajuste del pH, agitación, etc.) y de proceso (velocidad de carga, composición alimentación/descarga, ajuste de nutrientes, composición del biogás producido, etc.) que se realizan continuamente sobre el sistema.

Al ser para laboratorio se construyen en escalas pequeñas y aún así, son capaces de estabilizar efluentes con altas cargas orgánicas y generar buenas cantidades de biogás en proporción a la capacidad de los reactores.

Imagen 8: Biodigestores del Grupo de Energía no Convencionales (FIQ-UNL) a) Digestor de 1 litro b) Digestor de 40 litros

Buscando un tipo de digestor ideal, se llegó al concepto de digestor de Segunda y Tercera generación, siendo los clásicos modelos Hindú o Chino, los de la primera. Este nuevo modelo de digestor retiene la materia de origen vegetal, que normalmente tiende a flotar, dentro de las zonas de máxima actividad bacteriana como son la inferior y la de sobrenadante intermedia, para que las bacterias tengan tiempo de atacar, hidrolizar y procesar efectivamente el material en descomposición; al mismo tiempo permite que los gases y el material parcialmente degradado sigan el recorrido del proceso normal dentro del digestor.



3.3 Biodigestores para residuos domiciliarios (Comu nas) Aumentando la escala del reactor y de los implementos, se construyen

biodigestores muy simples capaces de tratar la fracción orgánica de los residuos domiciliarios de pequeñas comunas.

Un ejemplo es la comuna de Emilia (Escuela Agrotécnica No 2050 Mons. Vicente F. Zaspe). En donde se construyó un biodigestor con capacidad para 250 Kg diarios de basura domiciliaria (fracción orgánica) que es el equivalente a la basura que genera una población de 1000 habitantes.

Este reactor consiste en una cámara enterrada de concreto subdividida en cámaras menores con agitación manual y una electro-bomba sumergible que se utiliza tanto para la recirculación como para las purgas de efluente estabilizado.

Una particularidad de este caso, es que el consumo del biogás se encuentra a más de 100 mts del lugar donde se genera, motivo por el cual se diseñó un sistema de cañerías (subterráneas) con trampas de agua que eliminan el vapor de agua que se condensa. Además cuenta con un gasómetro (Imagen 9) que cumple con dos funciones necesarias para un optimo uso del biogás; primero, por medio del sistema de domo flotante, mantiene la presión aproximadamente constante lo que permite un flujo estabilizado en los quemadores, y en segundo lugar, cumple la función de almacenar una cierta cantidad de combustible necesario para las horas pico de consumo.

Este biodigestor, con un régimen de funcionamiento adecuado, tiene una capacidad de generación cercana a los 25 m3 de biogás lo que llevado a equivalente en gas envasado representan aproximadamente 12 garrafas de 10 Kg por día.

En la ilustración 6 se puede observar el esquema del modelo implementado, que actualmente sirve para estabilizar la fracción orgánica de toda la comuna al mismo tiempo que abastece de gas combustible (biogás) al comedor de una escuela.

Ilustración 6: Biodigestor continuo de cámaras en serie



3.4 Digestores con cúpula de polietileno. Los modelos comunes, aplicados a grandes escalas, tienen elevados costos

debido a la necesidad de demasiada superficie cubierta de concreto, una forma simple de abaratar los costos es la implementación de cúpulas de polietileno (Imagen 10) con las que se disminuyen los costos hasta un 30 %.

Estos biodigestores se caracterizan por tener una estructura semiesférica de

polietileno de película delgada en sustitución de la campana móvil o la cúpula fija, y un tanque de almacenamiento de concreto para el material a digerir.

Imagen 11: Biodigestor con domo de polietileno

Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica y la

estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida útil. Como inconveniente se puede resaltar que no poseen un régimen de presión constante.

3.5 Digestores de alta velocidad o flujo inducido Los dispositivos de alta velocidad son utilizados comúnmente en

instalaciones industriales con poca superficie disponible y generalmente trabajan a presión constante, por lo que se podrían catalogar como Digestores Tipo Hindú Modificado. Se les conoce de ordinario como CSTD (Conventional Stirred Digestor). Cuentan con algún tipo de agitación mecánica, continua o intermitente, que permite al material aún no digerido, entrar en contacto con las bacterias activas y así obtener buena digestión, con tiempos de retención hidráulica relativamente cortos (15 días). Este es un concepto nuevo dentro de la tecnología de fermentación anaeróbica, que combina las ventajas de varios tipos de digestores en una sola unidad, facilitando el manejo y procesamiento de material biodegradable de diverso origen y calidad.

3.6 Instalaciones Industriales Las instalaciones industriales de producción de biogás emplean tanques de

metal que sirven para almacenar la materia orgánica y el biogás por separado. Este tipo de planta, debido al gran volumen de materia orgánica que necesita

para garantizar la producción de biogás y la cantidad de biofertilizante que se obtiene, se diseña con grandes estanques de recolección y almacenamiento construidos de ladrillo u hormigón.



Con el objetivo de lograr su mejor funcionamiento se usan sistemas de bombeo para mover el material orgánico de los estanques de recolección hacia los biodigestores, y el bio-fertilizante de los digestores hacia los tanques de almacenamiento. También se utilizan sistemas de compresión en los tanques de

almacenamiento de biogás con vistas a lograr que éste llegue hasta el último consumidor.

Para evitar los malos olores se usan filtros que separan el gas sulfhídrico del biogás, además de utilizarse válvulas de corte y seguridad y tuberías para unir todo el sistema y hacerlo funcionar según las normas para este tipo de instalación.

La tendencia mundial en el desarrollo de los biodigestores es lograr disminuir los costos

y aumentar la vida útil de estas instalaciones, con el objetivo de llegar a la mayor cantidad de usuarios de esta tecnología.

4. VENTAJAS DE LOS BIODIGESTORES 1. Produce bio-fertilizante rico en nitrógeno, fósforo y potasio, capaz de

competir con los fertilizantes químicos, que son más caros y dañan el medio ambiente.

2. Elimina los desechos orgánicos, por ejemplo, la excreta animal, contaminante del medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.

3. Diversidad de usos (alumbrado, cocción de alimentos, producción de energía eléctrica, transporte automotor y otros).

4. Por utilizar gas metano (el cual se considera unos de los energéticos más limpios), no tiene problemas de regulaciones ambientales en ninguna parte del mundo. Por otro lado, al degradar sustancia orgánica ayuda a la purificación del medio ambiente.

5. Si consume energía proveniente de combustibles fósiles, al utilizar estos sistemas reduce las emisiones de CO2 al ambiente y de acuerdo al protocolo de Kioto, tiene una bonificación internacional por cada tonelada de CO2 que elimine su empresa. De esta manera no solo ahorrara por concepto de producción de su propio energético, sino que además, recibirá un bono económico al reducir su producción de CO2.

6. La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogas ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:

• Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos



menores son conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como amonio (NH4

+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos en que el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor de un 50% del nitrógeno.

• El efluente es mucho menos oloroso que el afluente. • Control de patógenos. Aunque el nivel de destrucción de patógenos variará

de acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención, se ha demostrado experimentalmente que alrededor del 85% de los patógenos no sobreviven el proceso de biodigestión. En condiciones de laboratorio, con temperaturas de 35°C los coliformes fecales fueron reducidos en 50 – 70% y los hongos en 95% en 24 horas.

5. DIFICULTADES TÉCNICAS

La construcción de biodigestores conlleva una serie de dificultades técnicas: - El digestor debe encontrarse cercano a la zona donde se recoge el

sustrato de partida y a la zona de consumo. - Debe mantenerse una temperatura constante evitando las fluctuaciones

climáticas. Esto puede encarecer el proceso de obtención en climas fríos.

- Es posible que, como subproducto, se obtenga SH2, el cual es tóxico y corrosivo, dependiendo del sustrato de partida y de la presencia o no de bacterias sulfato-reductoras. A su vez, la presencia de SH2 hace que se genere menos CH4, disminuyendo la capacidad calorífica del biogás y encarece el proceso por la necesidad de depurarlo.

6. CONCLUSIONES • La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento

de los desechos orgánicos de las explotaciones agropecuarias, además de disminuir la carga contaminante de los mismos, extrae gran parte de la energía contenida en el material mejorando su valor fertilizante y controlando, de manera considerable, los malos olores.

• El uso del biogas para la generación de electricidad y de energía térmica da un valor adicional al empleo de biodigestores en las empresas agropecuarias.

• Los resultados económicos no se pueden generalizar pues cambiarán de acuerdo a las circunstancias de cada lugar.

• Países como China e India, emplean de manera tradicional el biogas como combustible para calefacción, cocina e iluminación. A la vez van reparando los suelos degradados a través de siglos de cultivo. Europa, EEUU y Argentina están desarrollando la investigación sobre las aplicaciones del biogas con vistas a una mejor utilización futura.

• Los biodigestores puede jugar un papel importante en sistemas de cultivo integrados contribuyendo a la reducción de polución y agregando valor a los excrementos del ganado.

• Los sistemas de cogeneración a la par de políticas complacientes con tipos de energías renovables, se muestran con una alternativa muy prometedora hacia estos sistemas de tratamiento anaeróbicos.

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